Введение к работе
Актуальность работы. Согласно проведённому анализу, в настоящее время вблизи малых водотоков Российской Федерации расположено около 90% сельскохозяйственных объектов и населённых пунктов. Многие из них являются территориально разрозненными и удаленными от централизованных инженерных сетей, сезонно-действующими объектами небольшой энергоёмкости (фермерские хозяйства, коттеджи, малые предприятия и т.д.), поэтому для их водо- и энергоснабжения экономически целесообразно использовать местные водные ресурсы - малые реки и каналы. В большинстве своём они являются равнинными, с глубиной до 1,5 метров в меженный период и средним многолетним расходом менее 5 м3/с. Эти водотоки наиболее уязвимы при антропогенном воздействии, поэтому требуется достаточная пропускная способность их русла с целью сохранения экологического состояния, обеспечения транспорта наносов, нереста рыбы, предотвращения затопления прилегающих территорий в период половодий и паводков. В то же время для надёжного водо- и энергоснабжения необходимо аккумулировать речной сток. В связи с этим актуальна разработка мобильных подпорных сооружений комплексного назначения (МПСКН) для создания сезонного водохозяйственного узла с автономным энергообеспечением на базе низконапорной мембранно-вантовой плотины из композитных материалов, устанавливаемой на каналах или малых реках с глубинами до 1,5 м. Условия создания и использования данных конструкций предъявляют к ним такие требования как: свободный пропуск водного потока в период половодий и паводков, мобильность, сборно-разборность, низкая материалоёмкость и малая стоимость, простота монтажа и эксплуатации.
Исследования проводились в рамках НИОКР №7050р/9666-3 «Разработка экологически безопасных технологий, моделей и устройств комплексной переработки энергии», а также в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 20092013 годы, НИР по теме: «Исследования и анализ технологических схем и конструкций энергетических комплексов на базе ВИЭ для индивидуального децентрализованного энергоснабжения» (государственный контракт № 02.740.11.0476), а также в соответствии с тематическим планом НИР ФГБОУ ВПО НГМА по теме 03.01.01 «Разработать технологии проектирования, эксплуатации и управления мелиоративными системами, обеспечивающими воспроизводство природно-ресурсного потенциала агроландшафта».
Цель исследований заключается в разработке новых технических решений и обосновании методов расчёта сезонно-действующих мобильных подпорных сооружений комплексного назначения для автономного водо- и энергоснабжения децентрализованных потребителей, расположенных вблизи малых водотоков.
Основные задачи исследований:
провести анализ существующих конструкций водоподпорных сооружений и гидроагрегатов для малых водотоков, их теоретических и экспериментальных исследований;
разработать конструкции МПСКН для малых водотоков, обеспечивающие водо- и энергоснабжение объектов малой энергоёмкости;
провести математическое моделирование напряжённо- деформированного состояния водоподпорной оболочки и гидравлических усло- вий подхода потока в верхнем бьефе для оптимизации параметров сооружения, обеспечивающих минимальные потери напора и увеличение номинальной мощности гидроагрегата;
выполнить лабораторные и натурные исследования варианта конструкции, выбранного в ходе математического моделирования конфузора, сравнить с данными, полученными в ходе численного моделирования, и на их основании получить зависимости для определения параметров МПСКН;
разработать методику проектирования предложенных конструкций МПСКН для малых водотоков.
Научную новизну работы составляют:
новые конструкции МПСКН на основе мембранно-вантовой плотины, гидроагрегата и конфузора, защищённые патентом на изобретение (пат. RU 2378451), с более высокими показателями скорости возведения, эффективности выработки электроэнергии, меньшим влиянием на экологию водотока по сравнению с существующими конструкциями;
на основе результатов численного моделирования условий подхода потока в верхнем бьефе обоснована необходимость установки гибкого конфузора, обеспечивающего минимальные потери энергии;
впервые на основе проведённого численного моделирования и результатов экспериментальных исследований МПСКН обоснована конфигурация и конструкция гибкого конфузора и рисбермы в зависимости от гидравлических условий работы;
впервые выполнен сравнительный анализ результатов экспериментальных и натурных исследований МПСКН и на их основе получены зависимости по определению геометрических параметров конструкции.
Практическую ценность работы составляют:
разработаны сезонно-действующие МПСКН, обеспечивающие водо- и энергоснабжение децентрализованных потребителей вблизи малых водотоков;
разработанное руководство по проектированию, строительству и эксплуатации МПСКН с применением композитных материалов, обеспечивающих высокую эффективность работы при различных условиях эксплуатации, утверждённое в «Южный специализированный научный Центр по проектированию объектов мелиорации и водного хозяйства», рекомендовано для применения в водохозяйственном строительстве.
Внедрение МПСКН осуществлялось на Ольгинском полигоне Ростовской области, экономический эффект внедрения составил 60 тыс. руб. на одно сооружение.
Достоверность полученных результатов обосновывается: численным моделированием с использованием существующих гидромеханических решений для потока реальной несжимаемой жидкости, результаты которого подтверждены значительным объёмом экспериментальных данных, полученных в ходе лабораторных исследований; использованием методов математической статистики и программных средств при обработке результатов экспериментов; применением аттестованной измерительной аппаратуры и приборов; удовлетворительной сходимостью натурных и экспериментальных исследований с результатами других авторов.
Основные положения, выносимые на защиту:
новые конструкции МПСКН с гибким конфузором;
эмпирические зависимости по определению конфигурации водопод- порной оболочки и конфузора из композитных материалов, параметров гидроагрегата для различных условий работы;
методика расчёта и проектирования МПСКН и алгоритм подбора конструкции для различных условий установки, получённых на основе математического моделирования и экспериментальных исследований;
эксплуатационные характеристики МПСКН, полученные в ходе исследований внедрённой конструкции.
Личный вклад автора заключается в разработке, научном обосновании и усовершенствовании технических решений МПСКН; проведении численного моделирования, лабораторных и натурных исследований; получении экспериментальных зависимостей по определению параметров МПСКН, разработке методики проектирования и внедрении.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на заседаниях кафедры «Гидротехнические сооружения» ФГБОУ ВПО НГМА (2006-2012 г.); кафедр «Тепловые электрические станции»; «Водного хозяйства предприятий и населенных мест» ФГБОУ ВПО ЮРГТУ (2012 г.); на научно-технических конференциях, проводимых в НГМА (2007 - 2012г.); всероссийской научно-практической конференции «Энергосберегающие технологии в АПК» (г. Пенза, 2007 г.); международной конференции «Проблемы повышения продуктивности мелиоративных земель» (г. Новочеркасск, 2008 г.); международной конференции «Информационные технологии в обследовании эксплуатируемых зданий и сооружений» (ЮРГТУ, 2009 г.); всероссийской конференции «Социально-экономические аспекты современного развития АПК: опыт, проблемы, перспективы» (г. Саратов, 2009); IV всероссийской выставке-ярмарке научно-исследовательских работ, научно- инновационных разработок и проектов студентов, аспирантов и молодых учёных высших учебных заведений Российской Федерации «ИННОВ - 2009», семинаре ФГБОУ ВПО НГСУ (Сибстрин) 2012 г. На итоговой сессии программы «У.М.Н.И.К» по представленной работе «Проектирование мобильных подпор- но-регулирующих ГЭС для водохозяйственного строительства» автор признан победителем (2008 г.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 5 работах, в том числе 3 статьи в журналах и изданиях, рекомендуемых ВАК Ми- нобрнауки России, патент на изобретение (пат. RU 2378451).
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, приложения и списка литературы из 145 наименований, в том числе 11 зарубежных. Работа содержит 195 страниц текста, из них 179 основного текста, включая 111 рисунков, 19 таблиц и 10 приложений.
